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杭州嘉航金屬制品有限公司
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等溫淬火處理40MnB結(jié)構(gòu)鋼的組織及力學(xué)性能（一）
為提高燃料利用率，汽車閥簧和懸簧趨于小型和輕量化，彈簧用鋼的強度進(jìn)一步增加。但是，高強度化的鋼材對于腐蝕凹痕和缺陷等的缺口敏感性高，所以要求改善延韌性。目前，對JIS標(biāo)準(zhǔn)彈簧鋼（例如，Si-Cr系、Si-Mn系和Si-Cr-Mn系）的化學(xué)成分，提出了添加改善韌性和抗腐蝕性的元素Ni以及細(xì)化晶粒和提高抗延遲斷裂性的元素（V、Ti）。但是，這些鋼材大多含有稀土金屬，所以易受資源枯竭和需求波動的影響，高成本成為問題。因此，要求使用貨源充足、價格便宜的普通彈簧鋼實現(xiàn)高強度和高延韌性兼顧的組織控制技術(shù)。
普通彈簧鋼水平的含C、Si鋼進(jìn)行等溫淬火處理，如果貝氏體組織轉(zhuǎn)化，就會含有大量的殘余奧氏體。殘余奧氏體如果負(fù)荷應(yīng)力，就會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，引起伸長率變大和韌性提高的相變誘導(dǎo)塑性現(xiàn)象的產(chǎn)生，因而認(rèn)為添加Si鋼可獲得高延韌性。
將厚度1mm的普通彈簧鋼SUP6（Si-Mn系）板材等溫轉(zhuǎn)變，獲得貝氏體和殘余奧氏體雙相混合組織，殘余奧氏體量越多，其延性越大，發(fā)現(xiàn)由于塑性形變，殘余奧氏體一部分誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。雖然有關(guān)于等溫淬火處理的中碳鋼，Si、Mn等合金元素對組織及力學(xué)性能影響的研究，但對組織和力學(xué)性能相關(guān)性的研究報告較少，沒有關(guān)于普通彈簧鋼方面的報告。
為此研究了等溫淬火處理的普通彈簧鋼SUP12（Si-Mn-Cr系）的組織和力學(xué)性能，介紹了含有殘余奧氏體和馬氏體的下貝氏體組織顯示出的良好強度-延展性平衡。以S55C材為基準(zhǔn)，對增加Cr及Si含量的普通彈簧鋼，觀察了等溫淬火處理后的顯微組織。由于增加了Cr、Si含量，抑制了碳化物（滲碳體）的形成，殘余奧氏體比率增加。但是，沒有對這些等溫淬火處理材的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。
本文為了研究貝氏體組織適用普通彈簧鋼，明確Cr、Si含量不同的中碳鋼進(jìn)行等溫淬火處理時的組織和力學(xué)性能的關(guān)系。明確輕量化高強度彈簧要求的抗拉強度1800MPa以上，可獲得延韌性優(yōu)良的組織。
2 試驗方法
2.1 試樣材料
試樣材料使用JIS標(biāo)準(zhǔn)鋼S55C、SUP9、SUP7和SUP12。以S55C的化學(xué)成分為基準(zhǔn)時，各元素中有些差異，SUP9比S55C增加了Cr含量，SUP7比S55C、SUP12比SUP9增加了Si含量。
2.2 熱處理條件
S55C鋼使用直徑Φ4mm，SUP9、SUP7和SUP12三種鋼使用直徑Φ12mm的試樣材料，將各試樣材料在爐中進(jìn)行奧氏體化后1000℃，0.4ks，投入到調(diào)整到300℃或400℃的鹽浴中，保持10ks~59.4ks后水冷。為了比較，對上述各試樣進(jìn)行相同的奧氏體化之后，在60℃的油里淬火，保持180s后，在275℃~560℃溫度進(jìn)行3.6ks的回火處理后制備成試樣。另外，S55C試樣材料的直徑為Φ12mm時，鋼內(nèi)部因淬火不充分硬度變低，所以，在該熱處理條件下采用直徑Φ4mm的試樣。
2.3 組織觀察及晶體結(jié)構(gòu)圖
對上述熱處理后的試樣，以橫斷面為觀察面埋入樹脂后，用金剛砂紙進(jìn)行濕式研磨和用膠態(tài)氧化硅拋光研磨，在3%硝酸乙醇腐蝕液（HNO3 3ml+C2H5OH 97ml）中腐蝕5s~10s，制備成組織觀察用試樣。在這些試樣的橫斷面，從試樣的外周表面向中心相當(dāng)于直徑1/4的位置，用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了該位置的組織。
用上述的拋光研磨精加工的試樣，采用電子背散射衍射（EBSD）獲得晶體結(jié)構(gòu)圖。
2.4 殘余奧氏體的比率及C含量
用組織觀察中使用的拋光研磨精加工的埋入樹脂后的試樣，對橫斷面整體，采用CoKα線的X射線衍射，由公式（1）求出殘余奧氏體（γ）的比率。
Vγ=1/{1+（Iα/Rα）/（Iγ/Rγ）} （1）
式中：Vγ為γ相的體積分率；Iα及Iγ分別為對應(yīng)鐵素體相和馬氏體相的α相及γ相的衍射線的積分強度；Rα和Rγ分別為α相及γ相的R值（由照射條件決定的常數(shù)）。
α相分別測定了α（200）、α（211）衍射線的積分強度；γ相測定了γ（200）、γ（220）的衍射線的積分強度，將兩相峰值組合求出的4個殘余奧氏體比率的平均值作為代表值。
殘余奧氏體中的碳含量，對拋光研磨精加工的橫斷面整體，采用CoKα線的X射線衍射測定γ（111）、γ（200）、γ（220）及γ（311）的各衍射角，通過采用cos2θ的外插法求出晶格常數(shù)（αγ），該常數(shù)由公式（2）所示的αγ和C含量的關(guān)系決定。
αγ（nm）=0.3573+0.0033×（mass%C） （2）
2.5 強度試驗
拉伸試驗是以熱處理后的材料為原料，通過切削加工，SUP9、SUP7和SUP12用平行部直徑Φ6mm，標(biāo)距30mm的圓棒試樣，S55C用平行部直徑3.8mm，標(biāo)距18mm的圓棒試樣（JIS X 2201規(guī)定的14A號試樣）。對這些試樣，使用萬能精密拉伸試驗機以2.8×10-3/s的速度進(jìn)行拉伸試驗，測定了抗拉強度和0.2%屈服強度。應(yīng)變測定是在試樣平行部靠近應(yīng)變儀來進(jìn)行測定。并對照斷口分別求出斷裂伸長率和斷面收縮率。此外，本試驗所用的拉伸試樣形狀S55C和SUP9、SUP7、SUP12有所不同。一般拉伸特性值受試樣形狀的影響，但本試驗所用的試樣，認(rèn)為圓棒直徑和標(biāo)距的比率基本相同，對斷裂伸長率的影響小，材料組織在標(biāo)點之間均勻性高，試樣形狀對拉伸特性值的影響小。
夏比沖擊試驗采用長55mm、邊長10mm的正方形斷面、深2mm、45°V型缺口的試樣（JIS Z 2202規(guī)定的V型缺口）。試樣取自上述圓棒試樣材料（直徑Φ50mm），進(jìn)行和2.2節(jié)相同條件的熱處理，然后在室溫下進(jìn)行沖擊試驗，求出沖擊功。
普通彈簧鋼水平的含C、Si鋼進(jìn)行等溫淬火處理，如果貝氏體組織轉(zhuǎn)化，就會含有大量的殘余奧氏體。殘余奧氏體如果負(fù)荷應(yīng)力，就會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，引起伸長率變大和韌性提高的相變誘導(dǎo)塑性現(xiàn)象的產(chǎn)生，因而認(rèn)為添加Si鋼可獲得高延韌性。
將厚度1mm的普通彈簧鋼SUP6（Si-Mn系）板材等溫轉(zhuǎn)變，獲得貝氏體和殘余奧氏體雙相混合組織，殘余奧氏體量越多，其延性越大，發(fā)現(xiàn)由于塑性形變，殘余奧氏體一部分誘發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。雖然有關(guān)于等溫淬火處理的中碳鋼，Si、Mn等合金元素對組織及力學(xué)性能影響的研究，但對組織和力學(xué)性能相關(guān)性的研究報告較少，沒有關(guān)于普通彈簧鋼方面的報告。
為此研究了等溫淬火處理的普通彈簧鋼SUP12（Si-Mn-Cr系）的組織和力學(xué)性能，介紹了含有殘余奧氏體和馬氏體的下貝氏體組織顯示出的良好強度-延展性平衡。以S55C材為基準(zhǔn)，對增加Cr及Si含量的普通彈簧鋼，觀察了等溫淬火處理后的顯微組織。由于增加了Cr、Si含量，抑制了碳化物（滲碳體）的形成，殘余奧氏體比率增加。但是，沒有對這些等溫淬火處理材的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。
本文為了研究貝氏體組織適用普通彈簧鋼，明確Cr、Si含量不同的中碳鋼進(jìn)行等溫淬火處理時的組織和力學(xué)性能的關(guān)系。明確輕量化高強度彈簧要求的抗拉強度1800MPa以上，可獲得延韌性優(yōu)良的組織。
2 試驗方法
2.1 試樣材料
試樣材料使用JIS標(biāo)準(zhǔn)鋼S55C、SUP9、SUP7和SUP12。以S55C的化學(xué)成分為基準(zhǔn)時，各元素中有些差異，SUP9比S55C增加了Cr含量，SUP7比S55C、SUP12比SUP9增加了Si含量。
2.2 熱處理條件
S55C鋼使用直徑Φ4mm，SUP9、SUP7和SUP12三種鋼使用直徑Φ12mm的試樣材料，將各試樣材料在爐中進(jìn)行奧氏體化后1000℃，0.4ks，投入到調(diào)整到300℃或400℃的鹽浴中，保持10ks~59.4ks后水冷。為了比較，對上述各試樣進(jìn)行相同的奧氏體化之后，在60℃的油里淬火，保持180s后，在275℃~560℃溫度進(jìn)行3.6ks的回火處理后制備成試樣。另外，S55C試樣材料的直徑為Φ12mm時，鋼內(nèi)部因淬火不充分硬度變低，所以，在該熱處理條件下采用直徑Φ4mm的試樣。
2.3 組織觀察及晶體結(jié)構(gòu)圖
對上述熱處理后的試樣，以橫斷面為觀察面埋入樹脂后，用金剛砂紙進(jìn)行濕式研磨和用膠態(tài)氧化硅拋光研磨，在3%硝酸乙醇腐蝕液（HNO3 3ml+C2H5OH 97ml）中腐蝕5s~10s，制備成組織觀察用試樣。在這些試樣的橫斷面，從試樣的外周表面向中心相當(dāng)于直徑1/4的位置，用光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了該位置的組織。
用上述的拋光研磨精加工的試樣，采用電子背散射衍射（EBSD）獲得晶體結(jié)構(gòu)圖。
2.4 殘余奧氏體的比率及C含量
用組織觀察中使用的拋光研磨精加工的埋入樹脂后的試樣，對橫斷面整體，采用CoKα線的X射線衍射，由公式（1）求出殘余奧氏體（γ）的比率。
Vγ=1/{1+（Iα/Rα）/（Iγ/Rγ）} （1）
式中：Vγ為γ相的體積分率；Iα及Iγ分別為對應(yīng)鐵素體相和馬氏體相的α相及γ相的衍射線的積分強度；Rα和Rγ分別為α相及γ相的R值（由照射條件決定的常數(shù)）。
α相分別測定了α（200）、α（211）衍射線的積分強度；γ相測定了γ（200）、γ（220）的衍射線的積分強度，將兩相峰值組合求出的4個殘余奧氏體比率的平均值作為代表值。
殘余奧氏體中的碳含量，對拋光研磨精加工的橫斷面整體，采用CoKα線的X射線衍射測定γ（111）、γ（200）、γ（220）及γ（311）的各衍射角，通過采用cos2θ的外插法求出晶格常數(shù)（αγ），該常數(shù)由公式（2）所示的αγ和C含量的關(guān)系決定。
αγ（nm）=0.3573+0.0033×（mass%C） （2）
2.5 強度試驗
拉伸試驗是以熱處理后的材料為原料，通過切削加工，SUP9、SUP7和SUP12用平行部直徑Φ6mm，標(biāo)距30mm的圓棒試樣，S55C用平行部直徑3.8mm，標(biāo)距18mm的圓棒試樣（JIS X 2201規(guī)定的14A號試樣）。對這些試樣，使用萬能精密拉伸試驗機以2.8×10-3/s的速度進(jìn)行拉伸試驗，測定了抗拉強度和0.2%屈服強度。應(yīng)變測定是在試樣平行部靠近應(yīng)變儀來進(jìn)行測定。并對照斷口分別求出斷裂伸長率和斷面收縮率。此外，本試驗所用的拉伸試樣形狀S55C和SUP9、SUP7、SUP12有所不同。一般拉伸特性值受試樣形狀的影響，但本試驗所用的試樣，認(rèn)為圓棒直徑和標(biāo)距的比率基本相同，對斷裂伸長率的影響小，材料組織在標(biāo)點之間均勻性高，試樣形狀對拉伸特性值的影響小。
夏比沖擊試驗采用長55mm、邊長10mm的正方形斷面、深2mm、45°V型缺口的試樣（JIS Z 2202規(guī)定的V型缺口）。試樣取自上述圓棒試樣材料（直徑Φ50mm），進(jìn)行和2.2節(jié)相同條件的熱處理，然后在室溫下進(jìn)行沖擊試驗，求出沖擊功。